低合金钢粉的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请号为200880125653. 5、申请日为2008年12月18日、发明名称为"低 合金钢粉"的申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及低合金铁基粉末、含有该粉末和其它添加剂的粉末组合物、和由含有 该新型低合金钢粉的铁基粉末组合物的压制和烧结而制成的部件。由本发明的粉末制成的 部件的机械性质与由更高合金化和更昂贵的扩散结合粉末制成的部件的机械性质相当。
【背景技术】
[0003] 在工业中，通过压制和烧结金属粉末组合物而制成的金属产品的应用日益广泛。 生产具有各种形状和厚度的许多不同产品，并在希望降低成本的同时不断提高质量要求。 由于通过铁粉组合物的压制和烧结获得净形部件或只需极少机械加工就可达到最终形状 的近净形部件以及高的材料利用程度，该技术大大优于金属部件的传统成形技术，例如由 棒料或锻件模制或机械加工。
[0004] 但是，与压制和烧结法相关的一个问题在于，烧结部件含有一定量的孔隙，以致降 低该部件的强度。基本有两种方式克服由部件多孔性造成的对机械性质的负面影响。1)可 以通过引入合金元素，例如碳、铜、镍、钼等，来提高烧结部件的强度。2)通过提高该粉末组 合物的可压缩性、和/或提高压制压力以获得更高生坯密度、或提高该部件在烧结过程中 的收缩率，可以降低烧结部件的孔隙率。在实践中，采用通过添加合金元素来增强该部件与 将孔隙率降至最低的组合。因此，各种组成的低合金钢粉和这些钢粉的压制方法已知用于 制造表现出高强度和硬度的PM部件。但是，PM部件的特性是与锻钢材料相比相对较低的 韧度。尽管"高度"合金化，但具有相对较高可压缩性的所谓的扩散合金化铁基粉末提供了 与预合金粉末相比制造具有高韧度和高伸长以及高强度的压制和烧结体的可能性。
[0005] 但是，与目前使用的扩散合金粉末相关的一个缺点是它们的相对较高的昂贵合金 元素（例如钼和镍）含量。现在已经意外地发现，通过仔细选择合金元素铬和锰的组合，在 相对较低含量下，获得了一种预合金粉末，它使得压制和烧结体具有与使用更合金化的扩 散结合粉末可获得的值相同水平或接近的在伸长和强度方面的机械性质。
[0006] US4266974公开了在所要求保护的范围外的合金粉末的实例，其仅含锰和铬作为 有意加入的合金元素。这些实例含有2. 92 %的铬及0. 24%的锰，4. 79 %的铬及0. 21重量％ 的锰，或0. 55%的铬及0. 89重量％的锰。
[0007] 在日本专利公开号JP59173201中，含有铬、锰和钼的低合金钢粉的还原退火法， 一个实例显示具有1. 14重量％的络含量和1. 44重量％的猛含量作为仅有的有意加入的合 金元素的粉末。
[0008] 在US6348080中描述了铬、锰和钼基预合金钢粉。WO03/106079教导了与US 6348080中所述的钢粉相比具有较低的合金元素含量的铬、锰和钼合金化钢粉。该粉末适合 在高于大约0. 4重量％的碳含量下形成贝氏体结构。
[0009] 发明目的
[0010] 本发明的目的是提供适用于制造压制和烧结部件的合金铁基粉末，该粉末基本不 含昂贵的合金元素，例如钼和镍。
[0011] 本发明的另一目的是提供能够形成具有良好的伸长、拉伸强度和屈服强度的压制 和烧结部件的粉末。
[0012] 本发明的另一目的是提供具有上述性质的烧结部件。 发明概要
[0013] 通过下述各项实现了这些目的中的至少一个：
[0014] 一水雾化的预合金化铁基钢粉，按重量％计，其包含：0. 4至2. 0的Cr、0. 1至0. 8 的Mn、少于0. 1的V、少于0. 1的Mo、少于0. 1的Ni、少于0. 2的Cu、少于0. 1的C、少于0. 25 的0、少于0. 5的不可避免的杂质，且余量是铁。
[0015] 一基于该钢粉的铁基粉末组合物，且其与该组合物的0.35至1重量％的石墨、该 组合物的0. 05至2重量％的润滑剂、和任选地最多3%的量的铜、硬相材料和机械加工性增 强剂混合。
[0016] -制造烧结部件的方法，包括下述步骤：
[0017]a)制备所述基于钢粉的铁基钢粉组合物，
[0018] b)对该组合物施以400至2000MPa的压制，
[0019] c)在还原气氛中在1000至1400°C的温度烧结所得生坯部件，
[0020] d)任选地，在高于500°C的温度锻造所述经加热的部件，或对所得烧结部件施以 热处理或硬化步骤。
[0021] 一通过所述方法制成的具有珠光体/铁素体微结构的烧结部件。
[0022] 所述钢粉具有低的指定的铬和锰含量，且基本不含钼、镍和钒。
[0023] 发明详述
[0024] 铁基合金钢粉的制各
[0025] 通过含有指定量的合金元素的钢熔体的水雾化制造钢粉。进一步对该雾化粉末施 以如美国专利6027544中所述的还原退火法，该专利经此引用并入本文。该钢粉的粒度可 以为任何尺寸，只要其与压制和烧结或粉末锻造法相容即可。合适的粒度的实例是可获自 HdganMsAB，Sweden的已知粉末ABC100. 30的粒度，其大约10重量％高于150微米且 大约20重量％低于45微米。
[0026] 钢粉的含量
[0027] 铬用于通过固溶硬化增强基质。铬还提高烧结体的可淬硬性、抗氧化性和耐磨性。 但是，高于2. 0重量％的铬含量会降低钢粉的可压缩性，并导致更难形成铁素体/珠光体微 结构。优选地，从可压缩性的角度看，最大含量为大约1.8重量％，更优选1.5重量％。低 于〇. 4重量％的Cr含量对所需性质具有不明显的作用。铬含量优选为至少0. 5重量％。
[0028] 锰与铬一样，提高该钢粉的强度、硬度和可淬硬性。高于0. 8重量％的含量会提 高该钢粉中含锰夹杂物的形成，也由于固溶硬化和提高的铁素体硬度而对可压缩性具有负 面影响。猛含量优选低于〇. 7重量％，猛含量再更优选低于〇. 6重量％。如果猛含量低于 〇. 1 %，不能获得所需性质，此外，不可能使用回收碎肩，除非在制钢过程中进行特定处理以 减少其含量。由于这些原因，锰含量优选为至少0.2重量％，更优选0.3重量％。因此，锰 含量应该为0. 1至0. 8重量％，优选0. 2至0. 7重量％，再更优选0. 3至0. 6重量％。
[0029] 还发现，为了获得足够高的可压缩性，铬和锰（它们在一定程度上可相互交换）的 总量不应大于2. 5重量％，优选不大于2. 3重量％，最优选不大于2. 0重量％。
[0030] 在具有0.4至0.6重量％Cr的低铬含量的一个实施方案中，通过0.6至0.8重 量％、优选0. 7至0. 8重量％的相当高的锰含量补偿低铬含量。这一实施方案是有利的，因 为锰比铬廉价。
[0031] 在另一实施方案中，当铬含量为至少0. 7重量％时，锰含量为最多0. 5重量％，当 铬含量为至少1.0重量％时，锰含量为最多0.4重量％，优选最多0.3重量％。通过具有高 的铬含量，锰含量可以保持较低，由此尽量降低钢粉中含锰夹杂物的形成。
[0032] 氧合适地为最多0.25重量％，以防止与铬和锰形成氧化物--这会损害该粉末的 强度和可压缩性。由于这些原因，氧优选为最多〇. 18重量％。
[0033] 钒和镍应少于0. 1重量％且铜少于0. 2重量％。这些元素的过高含量对可压缩性 具有负面影响并可能提高成本。镍的存在也抑制铁素体形成，由此促成脆的珠光体/贝氏 体结构。钼应该少于0. 1重量％，以防止形成贝氏体以及保持低成本，因为钼是非常昂贵的 合金元素。
[0034] 该钢粉中的碳应该为最多0. 1重量％，氧最多0. 25重量％。较高的含量会不可接 受地降低该粉末的可压缩性。由于相同原因，氮应保持少于〇. 1重量％。
[0035] 不可避免的杂质的总量应少于0.5重量％，以便不损害该钢粉的可压缩性或充当 有害夹杂物的前体。
[0036] 铁基粉末组合物
[0037] 在压制之前，将铁基钢粉与石墨和润滑剂混合。石墨以该组合物的0. 35至1. 0重 量％的量加入，润滑剂以该组合物的0. 05至2. 0重量％的量加入。在某些实施方案中，可 以以最多3重量％的量加入铜粉形式的铜。在另一实施方案中，可以通过混合在有或没有 附加铜粉的情况下向该组合物中加入最多5重量％的镍粉。
[0038] 石墨的量
[0039] 为了提高烧结部件的强度和硬度，在基质中引入碳。碳以石墨形式以该组合物的 0. 35至1. 0重量％的量添加。少于0. 35重量％的量会导致太低的强度，高于1. 0重量％的 量会导致过度形成碳化物，从